基于硬件在環的船用中速雙燃料發動機控制策略研究

王立峰 王秀強 吳貝貝 從田增 蘇明濤 衣金水

摘要：

近年來，國際對于環境污染管控越來越嚴格。為了降低船舶造成的環境污染，國際海事組織制訂了船舶航行的排放法規，對于NOx的排放限值愈加嚴格。在此背景下，船舶應用雙燃料發動機技術無論是在控制污染物排放方面還是在控制運營成本的角度來說都有巨大的發展前景。本文以船用中速雙燃料發動機為研究對象，對基于硬件在環和虛擬雙燃料發動機實時仿真模型的控制策略進行了進一步研究。

關鍵詞：

硬件在環仿真;雙燃料發動機;控制策略

中圖分類號：

U664.1

文獻標識碼：

A

文章編號：

1672-9129（2020）15-0049-01

隨著國際環境污染的趨勢愈發嚴峻，船舶作為一種重要的交通工具，也是交通污染的重要污染源之一。對此，很多國家也開始研究該如何降低船舶污染。有研究表明，使用天然氣作為清潔燃料，以電控單體泵為基礎的雙燃料發動機，NOx和CO2排放量均得到了大大的降低。對此，需要相關企業及研究人員對其控制策略進行進一步的鉆研與探索，以進一步促進基于硬件在環的船用中速雙燃料發動機在我國船舶中的應用及發展。

1對于啟動及停車的控制

1.1啟動。雙燃料發動機正常啟動前需判斷各部分是否滿足啟動條件，檢測的內容包括：啟動鎖定、燃氣是否泄露、預供滑油壓力、停車或緊急停車信號有效等。壓縮空氣按照雙燃料發動機發火順序在膨脹行程充入氣缸推動活塞運動，在規定時間內若達到最低啟動轉速并實現自行發火則繼續啟動流程;否則，發出啟動失敗的報警信號。主燃油噴射系統及共軌微引燃噴射系統均開始噴油后，需要確保天然氣供給系統關閉，并檢測天然氣壓力、溫度等參數是否正常。

1.2停車。雙燃料發動機接收到正常停車信號后，系統減少燃料供應，轉速降低至怠速，發動機空載，控制器發出信號切斷全部燃料供應;接收到緊急故障停車信號后，控制器立即停止全部燃料噴射及供應，轉速逐漸降低至0。

2雙燃料模式切換控制

2.1柴油至燃氣模式切換條件。當船用中速雙燃料發動機運行在柴油模式時，雙燃料發動機由電控單元LCECU06DA直接控制。系統由柴油模式切換至燃氣模式的前提條件是雙燃料發動機的轉速穩定在（472+△n）r/min（約25%負荷）的時間超過20s，若轉速在指定時間內的波動超過這個范圍則認為雙燃料發動機非穩定狀態，不能進行模式切換，需要繼續等待轉速穩定。

2.2柴油切換至燃氣工作模式。雙燃料發動機啟動時為柴油模式，缸內燃料為純柴油。當雙燃料發動機滿足模式切換條件時，電控單元LCECU06DB手動產生柴油模式切換至燃氣模式的切換信號DToG，計時器Timer1開始計時T1，燃氣量從0開始逐漸增加，并與Timer1呈線性關系。此時，由于電控單元LCECU06DA的作用，在等待約10個工作循環即T1=3s之后柴油量逐漸減少至設定值X。在此過程中，雙燃料發動機轉速穩定在切換開始的轉速472r/min左右。控制器根據齒條位置信號檢測到柴油量設定值X時，系統生成柴油停噴信號Enable，天然氣量的輸出保持恒定，雙燃料發動機由電控單元LCECU06DB完全控制，此時標志柴油至燃氣模式切換完成。

2.3燃氣切換至柴油工作模式。雙燃料發動機工作在燃氣模式時，缸內燃料除了微量的柴油用作引燃之外，其它均為天然氣。當雙燃料發動機負荷減小至25%負荷以下時，電控單元LCECU06DB自動產生切換信號GToD;當雙燃料發動機遇到故障或其他特定情況時，電控單元LCECU06DB手動產生切換信號GToD。系統檢測到切換信號GToD后，需從燃氣模式切換至柴油模式，計時器Timer2開始計時T2，燃氣量從當前值開始逐漸減少至0，并與Timer2呈線性關系。此時，雙燃料發動機再次受電控單元LCECU06DA控制，柴油量從設定值X逐漸增加至燃氣量為0，并使雙燃料發動機維持在當前轉速，標志燃氣至柴油模式切換完成。

3燃氣噴射控制

燃氣噴射的控制主要包括三個部分，即噴射正時、噴射脈寬和噴射壓力。噴射正時即噴射提前角，表征發動機在某一工作循環中燃料起始噴射的時刻，一般以壓縮上止點為基準;噴射脈寬和噴射壓力是相對于每循環燃料的噴射量而言的，這些對發動機動力性、經濟性和排放性的影響很大。

對于船用中速雙燃料發動機型船用雙燃料發動機來說，噴射部分的執行機構為燃氣噴射閥LCQ2D20H50，根據該型閥的技術資料可查，當某個時刻系統狀態穩定時，進氣溫度、燃氣噴射閥前后壓差可確定，燃氣噴射閥全開后天然氣的質量流量即可計算出來。當燃氣質量流量確定后，可根據每循環燃氣量計算出天然氣的噴射脈寬，轉化為該轉速下對應的曲軸轉角度數，最后能估算出該工況下的噴射提前角大致范圍。為了更好的減小計算值與實際值的偏差，在實際的應用中，各工況下的噴射提前角及噴射脈寬會通過臺架試驗標定獲得，并以MAP的形式存儲在控制器內部。噴射脈寬MAP的輸入為燃氣噴射壓差與每循環燃氣量，輸出即為該工作循環噴射脈寬的基礎值，燃氣溫度作為修正因素之一;噴射提前角MAP的輸入為每循環燃氣量和雙燃料發動機當前轉速，輸出即為該工作循環噴射提前角的基礎值，燃氣溫度作為修正因素之一。

4總結

基于硬件在環仿真平臺的船用中速雙燃料發動機電控系統是驗證雙燃料發動機仿真模型和控制策略開發的必要環節，研究基于硬件在環的船的啟動停車、雙燃料模式切換以及燃氣噴射控制策略具有重要的理論意義和工程應用指導價值。

參考文獻：

[1]高先理.船用雙燃料發動機電液聯控多點噴射系統設計與實現[D].山東大學，2019.

[2]吳悅.基于硬件在環的船用中速雙燃料發動機控制策略研究[D].武漢理工大學，2016.